Когда наступает весна и начинается таяние льда и снега, большая скрытая теплота плавления льда спасает нас от ужасного половодья, наступившего бы, будь она меньше, например как у свинца, у которого она составляет приблизительно одну тринадцатую часть скрытой теплоты плавления льда, то-есть всего 6 калорий.
Если вспомнить, что ледниковый покров на Земле занимает примерно одну девятую часть суши, и если прибавить к нему область вечной мерзлоты — одну пятую часть суши, то станет ясным, какую большую роль в жизни природы играет таяние льда и замерзание воды.
При этом подсчете мы не учитывали земную поверхность, занесенную снегом в зимнее время. Прибавив же ее, мы получили бы еще более поразительные цифры. Ежегодно в течение нескольких месяцев площадь, покрытая льдом и снегом, превышает половину всей суши. Обладай вода меньшей теплотой плавления, климат на Земле был бы иным, пришлось бы привыкнуть к гораздо более резким изменениям температуры, чем те, с которыми мы имеем дело сейчас.
Переохлаждение жидкостей приходится учитывать в технике. Вода особенно легко переохлаждается в том случае, если она находится в форме мельчайших капелек — тумана. Переохлажденный туман — большая опасность для авиации. Ударяясь о поверхность летящего самолета, переохлажденные капельки мгновенно замерзают, — самолет начинает обледеневать. Если температура очень низкая, а, как показывает опыт, капельки могут быть жидкими и при 25-градусном морозе, и если размеры капелек малы, то они замерзают целиком и представляют для самолета меньшую опасность, чем большие капли. Последние при ударе о самолет распластываются и образуют прочный слой льда, который крепко держится на поверхности самолета. При обледенении вес самолета возрастает, форма крыльев изменяется, может нарушиться управление, обледенение винта снижает мощность мотора.
Оледенение самолета особенно опасно потому, что оно может происходить очень быстро. Многократно наблюдалось, что слой льда толщиной в пять сантиметров вырастал на крыле самолета всего за одну минуту!
Кристаллизация жидкости облегчается, если в ней присутствуют так называемые центры кристаллизации. Ими могут служить мельчайшие, микроскопические кристаллики, примеси измельченных нерастворимых в жидкости веществ, невидимые невооруженным глазом различные пылинки. Легче идет кристаллизация на поверхности твердого тела, например на стенках сосуда, содержащего жидкость. Если в переохлажденную воду погрузить стеклянную трубочку с тонким открытым снизу концом и положить внутрь нее кусочек льда, то первоначально превратится в лед вода внутри трубочки, а когда вся она затвердеет, на конце трубочки вырастет красивый кристалл льда, имеющий форму шестилучевой звездочки. Если не профильтровать расплавленный гипосульфит, в нем останутся центры кристаллизации и переохладить его не удастся.
В природе мы постоянно сталкиваемся с превращениями парообразного вещества в жидкое и жидкого в твердое. Летним вечером от реки колеблющейся пеленой тянется туман. Это пары воды превратились в мельчайшие водяные капельки.
Ясным осенним утром невольно залюбуешься красивым узором инея, который разукрасил крыши домов, чугунную ограду сада, телеграфные провода…
Это та же вода, превратившаяся в твердое состояние.
Что же происходит с мельчайшими частицами вещества — молекулами, когда жидкое тело превращается в твердое, как изменяется их движение, как они располагаются в твердом теле?
IIIВ МИРЕ ПОРЯДКА
Кристаллы
При затвердевании объем почти всех жидкостей уменьшается. Поэтому можно считать, что, как правило, молекулы или атомы в твердых телах расположены еще ближе друг к другу, чем в жидкостях.
Если в газе молекулы находятся в хаотичном беспорядке, а в жидкости беспорядочное движение молекул сочетается с некоторым порядком в их расположении, то в твердых телах частицы располагаются уже в полном порядке.
Ученые нашли способы узнавать, как расположены частицы, образующие твердые тела. Оказывается, в твердых телах частицы занимают строго определенные положения. При затвердевании жидкости соседние частицы вещества располагаются в вершинах правильных геометрических тел: кубов, пирамид, призм и т. д.
Все хорошо знают обычную поваренную соль, употребляемую в пищу. Каждая крупинка такой соли представляет собою один или несколько соединенных вместе кубиков.
Такая форма частиц соли не случайна.
Поваренная соль — это химическое соединение двух различных веществ: хлора и натрия.
Частицы, образующие кристалл поваренной соли, являются не молекулами хлора и натрия, а электрически заряженными атомами этих веществ, так называемыми ионами. Ионы в каждой крупинке поваренной соли расположены так, как это изображено на рисунке 44 (крупные шарики — ионы хлора, более мелкие — ионы натрия).
Рис. 44. Расположение ионов в кристалле поваренной соли.
Такое расположение ионов наиболее компактно, не занятое ими пространство сведено к минимуму. В науке такое расположение называют плотной упаковкой.
Для того чтобы закономерность в строении твердого тела показать более наглядно, удобно расположение шариков-ионов, при котором какой-либо ион загораживает соседние с ним, заменить расположением их центров, как это сделано на рисунке 45.
Рис. 45. Кристаллическая решетка поваренной соли.
В этом случае черные шарики — центры ионов натрия, а белые — центры ионов хлора. Каждый черный шарик окружен шестью белыми, а каждый белый, в свою очередь, — шестью черными.
Такой порядок наблюдается в любой части крупинки поваренной соли.
Порядок в расположении частиц, из которых построены твердые тела, объясняет их правильную форму.
Если перед вами лежит бесформенная глыба, то это не означает еще, что в ней нарушен присущий твердому телу порядок частиц. Отколите маленькую крупинку и посмотрите на нее в лупу или микроскоп. Вы увидите четкие грани и ребра правильных геометрических фигур. Глыба образовалась в результате случайного сращения множества маленьких частиц правильной формы.
Так, поваренная соль, где бы мы ее ни получили — в соляных копях, из солончаковых озер близ Каспийского моря или из вод Северного Ледовитого океана, — всегда имеет форму кубиков.
Если разбить кубик поваренной соли, он рассыплется на несколько меньших кубиков.
Твердые тела, имеющие присущую им от природы правильную форму, вызванную правильным расположением частиц, их образующих, называют кристаллами.
Остов кристалла, который получается, когда изображают расположение центров образующих кристалл частиц, называют кристаллической решеткой, а те места, в которых эти центры помещаются, — узлами кристаллической решетки.
Не у всех кристаллических тел частицы расположены так же, как у поваренной соли.
Замечательный русский кристаллограф Е. С. Федоров математическим путем доказал возможность существования 230 разновидностей симметрических фигур, в которые могут слагаться атомы в кристаллах.
Существует твердое тело — графит.
Графит построен из частичек углерода, из которого состоит и обычный древесный уголь. Проведите куском графита по твердой поверхности — останется черный след. Такая мягкость графита, способность его «мазаться», обеспечивает возможность применения его в качестве материала для изготовления карандашей и особых смазок.
Дело в том, что графит, не плавясь, выносит температуру более 2 тысяч градусов, поэтому графитные смазки можно применять тогда, когда нельзя воспользоваться никакими другими. Из графита изготовляют огнеупорные тигли, в которых плавят самые тугоплавкие вещества.
Кристаллическая решетка графита изображена на рисунке 46. Как мы видим, она состоит из отдельных слоев, каждый из которых напоминает рисунком паркетный пол.
Рис. 46. Кристаллическая решетка графита.
Обратите внимание на то, что соседние атомы углерода, лежащие в одном и том же слое, почти в два с половиной раза ближе друг к другу, чем соседние же, но расположенные в смежных слоях. Эта особенность определяет многие свойства графита.
Чем ближе друг к другу частицы вещества, тем больше действующие между ними силы. Поэтому атомы углерода, образующие какой-либо слой, связаны между собою гораздо прочнее, чем атомы, принадлежащие соседним слоям. Малое сцепление соседних слоев позволяет им легко скользить один по другому, а это дает возможность использовать графит для приготовления смазки. Этим же объясняется тот факт, что графит чаще всего встречается в виде чешуек.
Строение кристалла в первую очередь зависит от химического состава вещества, и поэтому можно, казалось бы, думать, что каждому веществу свойственна только одна определенная кристаллическая решетка. Но это не так. У многих веществ частицы могут располагаться, образуя кристаллические решетки различных типов. Все знают, как красиво сияют в лучах света отшлифованные алмазы, или, как их называют, бриллианты. А ведь алмаз состоит из тех же самых атомов углерода, что и черный, матовый графит, только кристаллическая решетка алмаза совсем не похожа на решетку графита (рис. 47).
Рис. 47. Кристаллическая решетка алмаза.
Иное расположение атомов приводит к совершенно иным свойствам. Графит — мягкое тело, алмаз — самый твердый минерал, из него не приготовишь смазки. Графит не прозрачен, алмаз прозрачен. Графит — хороший проводник электрического тока, алмаз тока не проводит. Эти различия в свойствах вызваны разным расположением атомов, разным строением решетки.
Вообще говоря, при определенных условиях одна форма кристаллической решетки может превратиться в другую. Эта мысль была движущей пружиной бесчисленных попыток искусственного получения алмазов. До сих пор эти попытки оставались безуспешными. Вероятно, образование алмазов в природе происходило при условиях, которые не удается воспроизвести. Оно протекало в рез